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摘要:
本文介紹了GE 90-70 GMR系統(tǒng)在達州市大竹玖源化工有限公司40萬噸/年合成氨、45萬噸/年尿素項目一期工程中的應(yīng)用，具體就GMR系統(tǒng)中輸入子系統(tǒng)、輸出子系統(tǒng)的硬件配置，以及GMR系統(tǒng)在大化肥主要工段中的應(yīng)用進行了描述。
一. 項目背景
大化肥行業(yè)具有工藝流程長、復(fù)雜，且屬易燃、易爆危險裝置，對安全要求極高的特點。安全聯(lián)鎖采用獨立于控制系統(tǒng)的ESD系統(tǒng)顯得十分必要。ESD系統(tǒng)是適用于高溫、高壓、易燃、易爆等連續(xù)性生產(chǎn)裝置的安全保護系統(tǒng)。當生產(chǎn)裝置出現(xiàn)緊急情況時，不需要經(jīng)過DCS系統(tǒng)，而直接由ESD發(fā)出保護聯(lián)鎖信號，對現(xiàn)場設(shè)備進行安全保護，避免危險擴散造成巨大損失。
達州市大竹玖源化工有限公司40萬噸/年合成氨、45萬噸/年尿素項目以天然氣為原料，采用蒸汽轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)合成氨技術(shù)。合成氨裝置由Farmland工廠天然氣轉(zhuǎn)化部分和Cytec工廠合成氨裝置的其他部分組合而成。兩廠均采用Kellogg工藝技術(shù)。項目工藝裝置均為易燃易爆、高度危險、連續(xù)生產(chǎn)的重要化工裝置，這就要求必須配置先進的、高可靠的設(shè)備，配置能充分滿足大化肥裝置及機組的緊急停車和安全聯(lián)鎖的ESD系統(tǒng)�；诖丝紤]，其選用了GE公司的 90-70 GMR表決系統(tǒng)。
二.GE的90-70 GMR解決方案簡介
美國GE FANUC公司的GMR（Genius Modular Redundancy）三重化冗余控制系統(tǒng)是基于GE Fanuc公司的90-70PLC以及先進的智能化輸入/輸出模塊（Genius I/O）構(gòu)成的具有國際先進水平的三重化表決控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)包含三個獨立的90-70PLC以及運行在每個單獨系統(tǒng)中的診斷程序。通過三選二的表決，系統(tǒng)為用戶提供了高可靠性和無誤差操作。還包含了輸入子系統(tǒng)及輸出子系統(tǒng)。輸入輸出子系統(tǒng)由智能的、可組態(tài)的Genius I/O模塊組成，每個模塊都有微處理器并提供通訊診斷功能，同時對輸出和輸入通道有電子保護功能，而且模擬量、開關(guān)量等所有模塊都可以用在同一總線中。傳感器信號被引入到隔離的Genius輸入模塊，設(shè)置在獨立機架中，各自獨立的CPU從每條Genius總線上接受這些輸入信號并對這些信號進行表決，然后，三個CPU中的每一個CPU通過三重化的Genius I/O總線將邏輯狀態(tài)結(jié)果送至輸出子系統(tǒng)，Genius輸出模塊對三重化的輸出數(shù)據(jù)進行表決，然后送至負載。
該系統(tǒng)具有如下特點：
l 容錯功能（Fault Tolerant）
l 失敗安全（Fail Safe）
l 高等級自檢及診斷檢測
l 應(yīng)用靈活性，可組態(tài)逐點冗余使之可以根據(jù)指定的應(yīng)用要求配置自己的硬件系統(tǒng)
l Genius I/O加速系統(tǒng)的開車進程，不須長距離拉線
l 支持中央控制和分布控制系統(tǒng)
l 消除保險，減低了平均修復(fù)時間（MTTR）
l 故障識別到點級，進一步降低了平均修復(fù)時間（MTTR）
l 基于20ms的掃描時間
l 支持三選二、二選二、二選一以及單機系統(tǒng)配置
1、 輸入子系統(tǒng)的配置
由于輸入子系統(tǒng)可以靈活配置，工藝信號的引入可以是單信號、雙信號或是三個信號。信號可以引入單個輸入模塊也可以到三個模塊，供PLC CPU主機進行表決，表決結(jié)果送給輸出模塊組再表決后輸出。在該項目的設(shè)計中采用了兩重化輸入方式，一個現(xiàn)場輸入信號通過端子排分配到兩個獨立的輸入模塊IC660BBD020，每個模塊連接到單獨的 Genius 總線BELDEN9182。
2、輸出子系統(tǒng)的配置
GE GMR輸出子系統(tǒng)包括四模塊“H”型、二模塊“I”型和二模塊“T”型的模塊組配置，可根據(jù)項目成本、項目規(guī)模等綜合考慮選用輸出子系統(tǒng)的配置。輸出模塊組對從CPU來的輸出進行表決，將表決結(jié)果輸出到負載�；谒性O(shè)備的可靠性和可用性 ，采用了“T”型輸出配置。每一個現(xiàn)場輸出是由兩個源型（Source）模塊IC660BRD020并聯(lián)接在負載的一端，負載的另一端接地。這種結(jié)構(gòu)即是失敗安全（Fail Safe）的又是容錯(Fault Tolerant)的。配置如下圖所示。
3、Genius 總線BELDEN9182
整個系統(tǒng)的配置中，共有兩條Genius總線BELDEN9182貫穿所有的DI/DO模塊，每條總線的具體接線如下圖所示。
4、外配成套部分
根據(jù)信號傳輸、隔離、轉(zhuǎn)換、分離的需要, 而且，現(xiàn)場儀表信號電纜需先經(jīng)過過渡端子柜后再接到SIS系統(tǒng)的I/O卡上，因此對于上述系統(tǒng)，還需設(shè)置一定的輔助柜SIS1-SIS4(4個輔助柜)，其中，SIS1柜為系統(tǒng)電源柜和90-70PLC機架柜，配置2個9槽機架。SIS2-SIS4為Genius DI、DO模塊配置柜，另外，還有3臺特制操作臺，用于安裝選擇開關(guān)、按鈕、閃光報警器等。
三.基于合成氨、尿素工藝的控制方案
在化肥廠的中／大型化肥生產(chǎn)裝置中，壓縮機組作為大型的轉(zhuǎn)動設(shè)備得到了大量應(yīng)用。并且作為核心裝置，是生產(chǎn)的關(guān)鍵裝置。所以透平壓縮機組的聯(lián)鎖控制，是保證整個化肥裝置安全生產(chǎn)運行的關(guān)鍵。此項目中壓縮機控制包括了天然氣壓縮機聯(lián)鎖、空氣壓縮機101-J聯(lián)鎖、合成氣壓縮機103-J聯(lián)鎖、氨壓縮機105-J聯(lián)鎖、CO2壓縮機C-101聯(lián)鎖。
其他工段控制方案包括了：
l 高低溫變換工段聯(lián)鎖
l 脫碳工段聯(lián)鎖
l 甲烷化工段聯(lián)鎖
l 工藝空氣停車系統(tǒng)聯(lián)鎖
l 引風機聯(lián)鎖
l 送風機聯(lián)鎖
l 一段爐燃料安全系統(tǒng)聯(lián)鎖
l 輔鍋燃料安全系統(tǒng)聯(lián)鎖
l 開工加熱爐燃燒安全聯(lián)鎖
l 原料氣停車系統(tǒng)聯(lián)鎖
l 廠級事故停車聯(lián)鎖
其中廠級事故聯(lián)鎖停車作為整條工藝流程安全生產(chǎn)的保障，顯的尤為重要。
四.總結(jié)與展望
ESD系統(tǒng)作為整個化肥生產(chǎn)工藝裝置安全聯(lián)鎖的核心控制系統(tǒng)，其可靠性和穩(wěn)定性直接影響著全廠的生產(chǎn)安全。 GE 90-70 GMR系統(tǒng)提供從輸入到CPU控制器以及輸出的各種組合，符合IEC61508標準并可達到和獲得TÜV AK1~AK6/IEC SIL1~SIL3等級認證。其在達州玖源4045大化肥項目裝置上成功應(yīng)用，對現(xiàn)場設(shè)備進行安全保護，避免危險擴散造成巨大損失，為工廠安全生產(chǎn)保駕護航。
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